本發(fā)明涉及的是一種管道測繪裝置，本發(fā)明也涉及一種管道測繪方法。具體地說是一種基于快速正交搜索算法檢測管道連接器的小徑管道缺陷定位裝置及其定位方法。

背景技術：

隨著大量早期鋪設的管道已達到或超過服役期，由管道泄漏帶來的環(huán)境污染及經濟損失是非常嚴重的，甚至管道爆炸造成的安全威脅更是難以估量。管道測量裝置是在管道內實現(xiàn)管道缺陷檢測及缺陷定位最有效的工具，已成為各類管道周期性檢測的首選。此外，泥石流、山體滑坡等自然因素也會造成管道變型，采用管道測量裝置可實現(xiàn)對被檢測管道坐標的有效測量，且分析管道的位移或變型對管道潛在危險預測能提供很好的幫助，預防各類管道泄漏或爆炸等危險發(fā)生。

由mems慣性傳感器構成的慣性輔助小徑管道定位系統(tǒng)是實現(xiàn)管道缺陷定位及管道變型檢測的核心組成部分。但是，由于小徑管道定位系統(tǒng)采用的mems慣性測量單元精度普遍較低，慣性輔助管道定位系統(tǒng)的定位誤差和方位角誤差是隨著被檢測管道距離的增加而逐漸累積發(fā)散嚴重。通常情況下，管道測量裝置四周安裝的里程儀及其在管道內運動的非完整性約束能為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供連續(xù)三維速度誤差修正。同時，沿被檢測管道每隔一定距離且位置已知的地表標記可為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供離散三維位置誤差修正。但是，小體積低精度mems構成的慣性輔助定位系統(tǒng)的方位角誤差發(fā)散大，除了速度和位置誤差修正外，還需要進行方位角誤差修正。傳統(tǒng)的方位角檢測傳感器在小徑管道內受管道內徑及管內環(huán)境等影響誤差大，慣性輔助管道定位系統(tǒng)很難為管道開挖及維修提供足夠的精度。在搜索相關資料時，2014年公布的《一種基于mems慣性測量單元的管道測繪及缺陷定位裝置及其管道測繪及定位方法》中采用磁力計測量管道的方位。在鋼質管道內運行的磁力計受管道材質的屏蔽效應，很難根據(jù)磁力計原理精確測量出管道的方位角。因此，在實際的管道檢測中很難設計實現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能提高定位和定向精，實現(xiàn)對管道連接器的正確檢測的小徑管道缺陷定位裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種利用小徑管道缺陷定位裝置的基于快速正交搜索算法的定位方法。

本發(fā)明的小徑管道缺陷定位裝置包括數(shù)據(jù)存儲單元a、數(shù)據(jù)處理單元b、mems捷聯(lián)慣性測量單元c和電源模塊d，還包括跟蹤模塊1、里程儀2、管道缺陷檢測傳感器3、塑料密封圈4及支撐輪5，數(shù)據(jù)存儲單元a、數(shù)據(jù)處理單元b、mems捷聯(lián)慣性測量單元c和電源模塊d封閉成一個整體，mems捷聯(lián)慣性測量單元c中的陀螺儀和加速度計測量管道測量裝置在管道內運動的旋轉角速度和線性加速度，里程儀2測量管道測量裝置在管道內運動時的軸向速度，跟蹤模塊用于記錄通過地表磁標記的時間和位置、并與地表跟蹤設備連接實時監(jiān)控管道測量裝置的位置，管道缺陷檢測傳感器3根據(jù)檢測管道缺陷類型和運輸物質類型采用超聲波傳感器或漏磁檢測傳感器，數(shù)據(jù)存儲單元a和數(shù)據(jù)處理單元b實現(xiàn)檢測傳感器數(shù)據(jù)和管道定位傳感器數(shù)據(jù)的處理和存儲，電源模塊d保障整個系統(tǒng)的電力供應，塑料密封圈4及支撐輪5保證整個管道測量裝置在其兩端的壓差下在管道內正常運行。

利用小徑管道缺陷定位裝置的基于快速正交搜索算法的定位方法為：

步驟一，在已知慣性導航初始條件的情況下由捷聯(lián)慣性導航算法計算出管道測量裝置在管道內運動的位置、速度和姿態(tài)角信息；

步驟二，采用kalman濾波估計方法對慣性傳感器誤差和慣性導航系統(tǒng)輸出誤差進行估計，其中，采用快速正交搜索算法檢測管道連接器結果為mems輔助管道檢測定位系統(tǒng)在直管道段提供方位角和俯仰角誤差估計和修正，同時結合管道測量裝置在管道內由里程儀和非完整性約束提供的三維速度誤差估計和修正，以及地表磁標記提供的離散三維位置誤差估計和修正；

步驟三，采用離線數(shù)據(jù)平滑處理方法進一步實現(xiàn)慣性傳感器誤差估計補償及mems導航系統(tǒng)的誤差補償。

所述采用快速正交搜索算法檢測管道連接器具體包括：(1)當管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測并回收到管道接收器后，從管道測量裝置的數(shù)據(jù)存儲單元中下載并保存管道檢測數(shù)據(jù)和管道定位傳感器數(shù)據(jù)；(2)由管道測量裝置內加速度計在管道內的測量數(shù)據(jù)采用快速正交搜索算法進行建模處理，并提取出建模或測量信號對應的頻域信號，得出建模或測量信號的時頻特性曲線；同時，采用閾值的方法判斷環(huán)形焊縫或法蘭等對應的時間段，當建模或測量信號頻域幅值大于設定閾值時，對應的時間段為環(huán)形焊縫或法蘭，而當建模或測量信號頻域幅值小于設定閾值時，對應的時間段即為直管道段；同時，管道測量裝置內陀螺儀測量數(shù)據(jù)用來判斷管道測量裝置是否通過某段彎曲管道，將彎曲管道從整個被檢測管道中分離出來；(3)將陀螺儀檢測的彎管道段與加速度計檢測出來的環(huán)形焊縫或法蘭等進行合并，實現(xiàn)整個管道連接器的檢測。

本發(fā)明針對所鋪設的管道是由直管道段通過管道連接器(包括彎管道、環(huán)形焊縫和法蘭等)連接而成的基本特性，首先采用基于快速正交搜索算法的管道連接器檢測方法。然后，根據(jù)管道測量裝置在直管道內具有方位角和俯仰角不變的特性，將管道連接器檢測結果用于修正管道定位系統(tǒng)的方位角發(fā)散誤差，提高管道檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度。因此，此方法可實現(xiàn)的前提就是實現(xiàn)對管道連接器的正確檢測。

本發(fā)明還具備這樣一些特點：

1.基于快速正交搜索算法的管道連接器檢測結果可為所鋪設管道在開挖和維修時提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道連接器處大部分為焊接或螺絲等進行連接的，連接處與附近的泥土和水中的化學物質容易發(fā)生腐蝕，甚至破裂。因此，管道連接器成了管道泄漏的高危區(qū)域。此外，管道測量裝置上搭載的管道檢測傳感器能有效的檢測出直管道及管道連接器處的腐蝕及破裂狀況，二者結合能增強管道連接器等處的缺陷檢測可靠性。故此，基于快速正交搜索算法的管道連接器檢測結果能為管道維修和開挖提供便利。

2.本發(fā)明中基于快速正交搜索算法的管道連接器檢測結果是不依賴于任何額外的傳感器的，只是采用了慣性輔助管道檢測定位系統(tǒng)已裝備的慣性傳感器。因此，從系統(tǒng)硬件的角度不會有任何額外的附加成本。

3.本發(fā)明中基于快速正交搜索算法的小徑管道檢測定位裝置和定位系統(tǒng)精度的提高是無需任何額外硬件成本的。管道連接器檢測的實現(xiàn)不需要在管道測量裝置中安裝其他傳感器，用于檢測的信號是對管道檢測定位用慣性傳感器數(shù)據(jù)的再次利用。此外，管道檢測中對管道缺陷的維護是在管道檢測完成之后進行的，無需實時進行，故對管道檢測數(shù)據(jù)的分析、管道連接器檢測和管道定位系統(tǒng)計算管道地理坐標都是離線進行的，故不會對現(xiàn)有的管道檢測及評估系統(tǒng)產生影響。

4.本發(fā)明中基于快速正交搜索算法的管道連接器檢測方法適用于各類油、氣、水、化學物質等運輸用各種管徑管道，所采用的管道測量裝置外型為圓柱型或類魚雷型。

附圖說明

圖1.小徑管道缺陷定位裝置示意圖。

圖2.快速正交搜索算法檢測管道連接器原理圖。

圖3.基于快速正交搜索算法的小徑管道缺陷定位系統(tǒng)流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做詳細地描述，需要說明的是本發(fā)明中涉及的陀螺儀、加速度計和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)為典型慣性器件和導航定位系統(tǒng)，管道測量裝置為典型和管道檢測系統(tǒng)，故本發(fā)明不再對其原理進行詳細描述。

結合圖1，小徑管道缺陷定位裝置主要由數(shù)據(jù)存儲單元a、數(shù)據(jù)處理單元b、mems捷聯(lián)慣性測量單元c和電源模塊d四大部分封閉而成。此外，為了實現(xiàn)管道缺陷定位裝置在管道內的運動還包括跟蹤模塊1、里程儀2、管道缺陷檢測傳感器3、塑料密封圈4及支撐輪5。mems捷聯(lián)慣性測量單元c中的陀螺儀和加速度計測量管道測量裝置在管道內運動的旋轉角速度和線性加速度，里程儀2測量管道測量裝置在管道內運動時的軸向速度，跟蹤模塊用于記錄通過地表磁標記的時間和位置，并與地表跟蹤設備連接實時監(jiān)控管道測量裝置的大致位置。管道缺陷檢測傳感器3根據(jù)檢測管道缺陷類型(腐蝕、裂紋、凹陷等)和運輸物質類型(氣體、液體等)采用超聲波傳感器或漏磁檢測傳感器。數(shù)據(jù)存儲單元a和數(shù)據(jù)處理單元b實現(xiàn)檢測傳感器數(shù)據(jù)和管道定位傳感器數(shù)據(jù)的簡單處理和有效存儲。電源模塊d保障整個系統(tǒng)的電力供應，塑料密封圈4及支撐輪5保證整個管道測量裝置在其兩端的壓差下在管道內正常運行。管道缺陷定位裝置以mems捷聯(lián)慣性測量單元為核心，采用慣性導航算法計算管道測量裝置在管道內運行的軌跡。但由mems慣性導航系統(tǒng)計算的管道中心點軌跡及管道方向存在較大誤差，需要進行誤差補償。管道測量裝置尾部安裝的里程儀用于測量其軸向的速度，而且管道測量裝置在管道內橫向和縱向的非完整性約束為這兩個方向提供了速度修正。同時，管道測量裝置尾部跟蹤模塊能記錄被檢測管道沿線坐標位置已知的地表磁標記，為其提供離散的位置修正。此外，由于管道測量裝置在任意直管道內的方位角和俯仰角是不變的，其前提條件就是進行管道連接器(彎曲管道、環(huán)形焊縫和法蘭等)的正確檢測。

結合圖2，快速正交搜索算法檢測管道連接器具體包括：由管道測量裝置內安裝的三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內運動時的旋轉角速率和線性加速度。三軸陀螺儀測量的旋轉角速率測量值用于判斷管道測量裝置是否通過彎曲管道。其中，靜止狀態(tài)下陀螺儀輸出角速率的平方和作為閾值，當三軸陀螺儀任意軸測量的旋轉角速率測量值大于閾值，則判定管道測量裝置正通過彎曲管道段，否則判定管道測量裝置正通過直管道段。同時，由加速度計在管道測量裝置內隨著管道運動的測量信號用于判斷環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器。采用快速正交搜索算法對加速度計測量信號進行建模處理，并提取出建?；驕y量信號對應的頻域信號，得出建模或測量信號的時頻特性曲線。同時，采用閾值的方法判斷環(huán)形焊縫或法蘭等對應的時間段，當建?；驕y量信號頻率幅值大于預設的閾值時即管道測量裝置正通過環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器部位，否則管道測量裝置正通過直管道段。最后，將由陀螺儀測量值檢測的彎曲管道段與由加速度計測量值檢測的環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器結合，即可得到整個被檢測管道中的管道連接器與時間的對應關系。

結合圖3，在圖1的小徑管道缺陷定位裝置示意圖和圖2的快速正交搜索算法檢測管道連接器原理圖基礎上，采用kalman濾波估計技術和數(shù)據(jù)平滑處理技術實現(xiàn)對小徑管道缺陷檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度需求。整個系統(tǒng)的運行流程如下：

步驟1，在管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測任務后，從存儲器中讀取管道定位傳感器的數(shù)據(jù)，進入步驟2；

步驟2，由mems慣性測量單元測量的管道測量裝置在管道內運動的數(shù)據(jù)推導出管道測量裝置的旋轉角速度和線性加速度值。結合管道測量裝置進行檢測的初始條件，采用捷聯(lián)慣性導航算法可以計算出管道測量裝置在管道內運動的姿態(tài)、速度和位置信息，進入步驟3；

步驟3，根據(jù)圖2中采用快速正交搜索算法，分析管道測量裝置的旋轉角速度和線性加速度值，可得出管道測量裝置在管道內運行時間與不同時刻所對應的管道連接器的關系，為直管道段方位角和俯仰角誤差修正做準備，進入步驟4；

步驟4，由捷聯(lián)慣性導航算法計算出來的速度與管道測量裝置尾部里程儀測量的軸向速度和管道測量裝置在管道內橫向和縱向的非完整性約束提供的零速作差得出速度誤差。同時，由捷聯(lián)慣性導航算法計算出來的位置與地表磁標記提供的離散位置做差得出位置誤差。此外，根據(jù)基于快速正交搜索算法檢測管道連接器的結果，可由捷聯(lián)慣性導航算法在每個直管道段計算出來的方位角和俯仰角與對應直管道首次計算出的方位角和俯仰角作差得出直管道段方位角和俯仰誤差。進入步驟5；

步驟5，以步驟4中得出的被檢測管道在不同位置的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差為觀測量，采用kalman濾波估計技術，估計并補償慣性傳感器誤差和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差，并存儲相應的系統(tǒng)預測和更新狀態(tài)變量，以及對應的預測和更新協(xié)方差陣，用于數(shù)據(jù)平滑處理，進入步驟6；

步驟6，在步驟5的基礎上，以保存的狀態(tài)變量和協(xié)方差陣為基礎，通過反向的方式采用數(shù)據(jù)平滑處理技術再次對慣性傳感器誤差和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差進行估計和補償，再次提高整個慣性輔助管道檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度，以達到小徑管道檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度需求，進入步驟7；

步驟7，將數(shù)據(jù)平滑處理后的被檢測管道坐標信息與由管道檢測傳感器檢測并分析出的被檢測管道缺陷分析結果進行時間同步操作，得出管道缺陷與位置的關系，進入步驟8；

步驟8，根據(jù)管道缺陷與位置的關系，結合其他管道維護相關信息，生成管道檢測維修報告，指導現(xiàn)場管道缺陷開挖和維修。

本發(fā)明的特點為：管道缺陷定位裝置以mems捷聯(lián)慣性測量單元為核心，采用捷聯(lián)慣性導航算法計算管道測量裝置在管道內運行的軌跡坐標信息。但由mems慣性導航系統(tǒng)計算的管道位置及管道方位會存在較大誤差，需要進行誤差估計及補償。管道測量裝置尾部安裝的里程儀測量其軸向速度，而其在管道內的非完整性約束為橫向和縱向提供速度。同時，跟蹤模塊能記錄被檢測管道沿線坐標位置已知的地表磁標記，提供離散位置。更重要的是，基于快速正交搜索算法的管道連接器(彎管道、環(huán)形焊縫和法蘭等)檢測結果可為管道測量裝置在直管道內提供方位角和俯仰角誤差修正。kalman濾波估計技術及數(shù)據(jù)離線平滑處理技術能從正反兩個方向利用這些測量信息并修正慣性導航系統(tǒng)的誤差，實現(xiàn)小徑管道軌跡和方向的精確測量。此外，安裝在管道測量裝置周圍的管道缺陷檢測傳感器可實現(xiàn)管道缺陷(腐蝕、裂紋、凹陷等)的有效檢測。最后，將管道缺陷檢測系統(tǒng)與管道定位系統(tǒng)進行時間同步操作，即可實現(xiàn)被檢測管道缺陷的精確定位。本發(fā)明還包括以下特點：

1、采用管道測量裝置內安裝的mems慣性傳感器在管道內檢測運動時的數(shù)據(jù)，通過快速正交搜索算法對管道連接器處對應的mems慣性傳感器奇異信號進行檢測實現(xiàn)的。

2、管道連接器檢測結果，可為所鋪設管道段連接處等易腐蝕、易破裂部位的開挖和維修提供便利。

3、管道連接器檢測結果，為低精度慣性輔助小徑管道檢測定位系統(tǒng)在直管道段提供方位角和俯仰角誤差修正，利于提高整個管道檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度。

4、小徑管道缺陷定位裝置和定位方法的實現(xiàn)，既不要求增加任何成本，也不要求對原有的管道測量裝置的硬件系統(tǒng)有任何改動。